开放式滚齿机数控系统开发策略及系统结构研究

1.开放式模块化滚齿机数控系统与PC - PMAC策略

　　对于全功能数控滚齿机, 机床的各个运动轴(滚刀架旋转A、滚刀旋转B、工件旋转C、轴向进给Z、切向串刀Y、径向进给X轴) 都是数控的, 基于软件插补的滚齿加工数控系统的刀具主轴一般采用变频装置控制, 其它轴通过数控指令经伺服电机直接驱动。根据被加工齿轮和使用刀具的参数以确定刀具与工件之间特定的运动关系(即所谓的电子齿轮箱) 。其优点是工件主轴的转速完全由数控系统的软件控制, 因此, 可以通过编制适当的软件, 用通用的刀具来高精度快速地加工非圆齿轮、修形齿轮, 且加工精度远高于传统的机械靠模加工方法。

　　随着计算机技术的飞速发展, 基于PC开发数控系统, 可以充分利用标准计算机高速发展所带来的众多成果(包括软、硬件) , 而PC硬件的标准化也为系统的升级换代和维修提供了最便捷的方式。具体地说, 就是鉴于PC总线是一种开放性总线, 所以这种系统就具有了开放性、模块化可嵌入的特点, 系统生产商可以在PC机硬件平台和操作系统的基础上, 大量使用市场上现售的软件和硬件板卡, 改善数控系统的功能, 缩短开发周期和降低成本。机床厂商和用户可以对CNC进行重新设置、修改、扩充和改装, 并允许模块化地集成传感器、加工过程监控等功能, 最终构造和重组出最适合的数控系统功能和其它控制功能。

　　与其它数控机床相比, 滚齿机运动相对复杂, 因此起步较晚。尽管全功能数控系统目前在国外已占了主导地位, 但大多数仍然是普通数控系统的变形, 且属于各公司的封闭式系统, 而且真正体现齿轮加工专业特点的开放式系统还很少。因此, 开发现代滚齿机数控系统的要求非常迫切, 如: 能够根据具体控制机床的功能需要来增加或减少部件; 对同一个CNC系统, 可以通过面向功能的动、静态重构, 柔性地控制滚齿机、磨齿机、插齿机、齿轮加工单元等不同的对象或控制不同型号的同一类齿轮加工机床。目前, 基于PC的开放式CNC一般有三种实现途径：

　　(1) PC嵌入CNC。将PC机作为传统CNC的前端接口, 在传统的非开放式CNC上插入一块专门的、开放的个人计算机模板, PC板与CNC之间通过专用总线连接, 使传统CNC实现个人计算机的一些特性。在这种模式下, CNC部分与原来的CNC相同, 进行实时控制; 而PC部分则进行非实时控制。这一形式主要为一些大型CNC控制器制造厂商所采用, 其优点是原型CNC可以几乎不加改动地使用, 且传递数据快、系统响应快, 缺点是不能直接使用PC, 开放程度受到限制, 代价高不适合小型加工使用。这种模式在严格意义上不能称之为“基于” PC 的开放式CNC系统。

　　(2) CNC嵌入PC。将运动控制板或整个CNC单元插入到PC的扩展槽中, PC作非实时处理, 实时控制由CNC单元或运动控制板来承担。这种结构形式使整个系统可以共享PC机的硬件资源, 并利用其丰富的支撑软件直接与网络和CAD /CAM系统连接, 软件的通用性强, 且编程处理灵活、代价低。对于CNC单元插入到PC的结构, 其开放性只限于PC微机部分, 专业的数控部分仍处于封闭状态; 而对于运动控制板插入到PC的结构, 其开放性则取决于运动控制板的开放性。

　　(3) 纯PC机型。即完全采用PC机的全软件形式的数控系统。NC系统的各项功能, 如编译、解释、插补和PLC等, 均由软件模块来实现, 并通过装在PC扩展槽中的接口卡对伺服驱动进行控制。这类系统借助现有的操作平台, 在应用软件的支持下, 通过对PC软件的适当组织、划分规范和开发, 可望实现CNC各个层次的开放。其优点是开放性好、编程处理相当灵活、软件的通用性强。缺点是在通用PC上进行实时处理较困难, 难以利用原型CNC资源, 其可靠性的确保也是一个有待进一步研究的问题。

图1　PC + PMAC滚齿机数控系统硬件结构示意图

　　PMAC与各个伺服驱动器使用接线器以方便连接, 径向(X) 和轴向( Z) 可以使用编码器反馈 (图1所示) 的半闭环控制, 也可以使用光栅进行闭环控制。

　　PMAC运动控制器与主机之间的通讯采用了两种方式。一种是总线通讯方式, 即主机到指定的地址上去寻找PMAC, 其中指定的地址是由PMAC的跳线确定。另一种是利用DPRAM进行数据通信。PMAC为DPRAM提供了许多自动存取功能, 这些自动功能以一定的周期在PMAC与IPC间传递实时的数据, 而且用户还可以用PMAC的M 变量和主机的指针变量来指定DPRAM中没有使用的寄存器以实现自定义的通讯功能。用DPRAM来进行PC与PMAC间的数据通讯和命令通讯具有快速的优点, 一方面, 双端口RAM在用于向PMAC写数据时, 在实时状态下能够快速地将位置数据信息或程序信息进行重复下载; 另一方面, DPRAM在用于从PMAC中读取数据时, 可以快速地重复地获取系统的状态信息。如交流伺服电机的状态、位置、速度、跟随误差等数据可以不停地被更新, 并且能够被PLC 或被PMAC 自动地写入DPRAM。由于通过DPRAM进行的数据存取不需要经过通讯口发送命令和等待响应, 所以响应的速度要快得多。利用DPRAM进行数据的自动存取, 提高了系统的响应速度和加工精度, 同时也方便了控制系统中各模块之间的快速通讯和地址表的设定, 降低了编程难度。